QUANG ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN - CHƯƠNG 4 pdf

30 Khi các e- chuyển động từ P ÆN, chúng phải chuyển từ một trạng thái năng lượng thấp tới 1 trạng thái năng lượng cao hơn, do đó các e- sẽ cần hấp thụ năng lượng từ phía “cold” surface và nhả nhiệt lượng cho phía “hot” surface để chuyển mức khi từ N Æ P. __________________o0o___________________ 31 CHƯƠNG IV PHOTODETECTORS § 4.1 VACUUM PHOTODETECTORS - Dùng hiệu ứng quang điện tạo ra dòng và áp tỷ lệ với mật độ dòng công suất sóng tới. - Độ nhạy cao, đáp ứng nhanh . - Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm. 1) Nguyên lý - Cathode cấu tạo từ bề mặt kim loại cong có phu lớp oxide. - Anode: ống mỏng đặt tại tiêu điểm của cathode. - Phát xạ điện tử từ bề mặt cathode đòi hỏi năng lượng photon đến phải đủ để kéo điện tử ra khỏi các lực liên kết của e- với nguyên tử và với bề mặt cathode (do các điện tích dương tạo ra bởi các điện tử r ời khỏi bề mặt). E kmax = hf - W W: công thoát điện tử h: hằng số planck f: tần số photon 2) Các dặc trưng cơ bản - Stopping voltage: thế áp đặt để làm triệt tiêu E k max Æđộ dẫn = 0 - Tân số ngưỡng: khi sóng đến có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng sẽ không phát xạ điện tử từ cathode, là tần số ứng với E k = 0. * Đặc trưng thuận: - Tồn tai điện áp “knee voltage” mà trên đó dòng sẽ bảo hoà, photodiode hoạt động trong miền này. -Dòng bão hoà tỷ lệ thuận với mật độ dòng quang tới H. -Thế stop giống nhau với các mật độ dòng quang tới khác nhau (chỉ là hàm của tần số photon) * Đặc tuyến ra: có tải dùng để tính gần đúng dòng qua ống I T , thế rơi trên ống V T khi biết tải R và mật độ dòng quang (lm) * Các tính chất cơ bản của vacuum photodetector: 1/ Dòng photodiode tăng tuyến tính theo mật độ dòng quang nếu trở tải nhỏ. 2/ Trường hợp lý tưởng, độ nhạy dòng S I = v F I ∆ ∆ = const. và không phụ thuộc tải 3/ Các mạch thực tế lệch khỏi lý tưởng khi dòng lớn và bé . 4/ Thế anode giảm khi mật độ dòng quang tăng. 5/ Độ nhạy điện áp S v = v F V ∆ ∆ tỷ lệ với trở tải . 6/ Với trở tải R L nhỏ, độ nhạy điện áp gần không đổi và dòng, thế thay đổi gần tuyến tính theo mật độ dòng quang. _________________________________________ 32 33 § 4.2 THERMAL DETECTORS 1) Giới thiệu: là lớp linh kiện hoạt động nhờ chuyển đổi năng lượng bức xạ tới thành nhiệt năng và sau đó thành các đại lượng điện có thể đo được. - Dùng các bề mặc phủ có đặc trưng gần với vật đen lý tưởng. - Ứng dụng làm đầu thu bức xạ trong phòng thí nghiệm và trong các thiết bị cân chỉnh. - Có 4 loại chính: (1) Bolometer (xạ nhiệt kế) (2) Thermistors (tecmisto) (3) Thermopiles (pin nhiệt đ iện, cột nhiệt điện) (4) Pyroelectric detector (đầu thu hỏa điện) Æ (1) và (2) thay đổi điện trở khi chiếu xạ. Æ (3) có thế đầu cuối tỷ lệ với cường độ chiếu xạ, nhưng có tần số cutoff thấp không thích hợp theo rõi sự thay đổi nhanh của bức xạ. Æ (4) có thế đầu cuối thay đổi theo sự thay đổi của bức xạ. Æ (2) và (3) có cấu trúc vững chắc thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp 2) Các đặc trưng chung: độ nhạy, đáp ứng phổ, hằng số thời gian, công suất nhiễu tương đương (NEP: noise equivalent power), khả năng thu, khả năng thu chuẩn hóa D*, góc thu. a) Độ nhạy: tỷ số đầu ra điện của detector/đầu vào quang, thường cho dưới dạng amperes/watt hoặc volts/watt của công suất đến. R = dr/dΦ e với dr là số gia của dòng hoặc thế ở đàu thu, dΦ e là số gia của mật độ dòng tới ở đầu thu. b) Đáp ứng phổ (đặc trưng nhạy phổ): quan hệ giữa dộ nhạy bức xạ và bước sóng của bức xạ tới dưới cùng điều kiện chiếu xạ (tia tới chuẩn trực). - Các bộ thu nhiệt có đáp ứng phổ bằng phẳng, rộng, giới hạn bởi đặc trưng truyền qua của cửa sổ dùng ở vỏ đầu thu. Các đầu thu bán dẫn và đèn chân không có đáp ứng phổ phụ thuộc vậ t liệu chế tạo đầu thu. c) Hằng số thời gian: mô tả đáp ứng bước của đầu thu của đầu thu với bước thay đổi của mức chiếu xạ (dùng chùm tia ngắt đoạn nhờ tấm chắn quay hoặc nhờ điều biến công suất nguồn). Đầu thu sẽ biểu hiện như mạch lọc thông thấp và cho lối ra khác nhau với tốc độ điều biến hoặc tốc độ ngắt khác nhau. Có thể đặc tr ưng hóa bởi thời gian lên. - Nếu quá trình quá độ có dạng Aexp(-t/T ) thì T là hằng số thời gian với đầu ra của 1 hệ thống bậc 1 bị kich thích bởi xung, hằng số thời gian T là thời gian cần để đạt 63,2 % toàn bộ sườn lên hoặc sường xuống . - Hằng số thời gan đôi khi còn gọi là thời gian 1/e hoặc (1- 1/e) - Trên giản đồ Bode của bộ lọc thông cấp bậc 1, tần số -3dB, f b , liên quan với hằng số thời gian: f b= T π 2 1 - Thời gian lên của xung: t r (khoảng thời gian từ 10% Æ90% đỉnh xung) với bộ lọc thông thấp RC: t r = 2,2RC= 2,2T d) Công suất nhiễu tương đương (NEP): là công suất bức xạ tạo ra tỷ số S/N =1 ở đầu ra của detector (ở một tần số cho trước, và với một độ rộng băng nhiễu cho trước), đơn vị là watts per (hertz) 1/2 . - Một số nhà cung cấp định nghĩa NEP là công suất bức xạ tạo ra tỷ số tín hiệu / nhiễu dòng tối =1 + Vì hằng số thời gian ảnh hưởng lên biên độ dầu ra của linh kiện, do đó tần số điều chế và dạng sóng phải được xác định trước. +Biên độ tín hiệu thu, công suất nhiễu, dòng nhiễu và điện áp nhiễu phụ thuộc vào độ rộng băng tầ n số điện của hệ đo, được gọi là độ rộng băng nhiễu hiệu dụng. Chỉ có các giá trị NEP đo hoặc chỉnh với cùng độ rộng băng mới có thể được so sánh trực trực tiếp . +NEP mô tả mức tín hiệu hữu ích nhỏ nhất mà linh kiện có thể phân biệt được. 34 e) Detectivity: là nghịch đảo của NEP + Đôi khi người ta dùng độ thu chuẩn hóa: D* = [A(∆f)] 1/2 /NEP với NEP/[A(∆f)] 1/2 là NEP chuẩn hóa theo đơn vị diện tích và đơn vị độ rộng băng. A: diện tích miền nhạy quang của detector, ∆f: effective noise bandwidth f) The field of view (trường quan sát): là diện tích trong không không gian mà từ đó detector nhận công suất bức xạ. - Góc quan sát (the angle of view): là góc đo từ bề mặt của detector xác định biên của một thể tích trong không gian mà từ đó năng lượng có thể đến được detector. - Chỉ có nguồn bức xạ trong vùng quan sát (the field of view) mới là nguồn cần kiểm tra. Các nguồn nền là các nguồn khác với nguồn kiểm tra (test source) mà công suất có đến đầu thu . 3) Tính toán nhiễu: + Trứơc tiên cần xác định độ rộng băng của nhiễu, thường độ rộng băng điện của hệ thống, bao gồm đầu thu, các bộ khuyếch đại và thiết bị đo có mặt trên đường đo tín hiệu . ≈ - Nếu độ rộng băng điện tổng có đường cong đáp ứng với độ dốc ≥ -18 (dB/octave) ở trên tần số cắt trên thì độ rộng băng nhiễu ≈ độ rộng băng điện . - Nếu độ dốc là -6 hay -12 (dB/octave) thì độ rộng băng nhiễu = độ rộng băng điện f b x hệ số chỉnh độ rộng băng ∆f = K b . f b , K b = 1.571(π/2) với độ dốc -6 (dB/octave) hay -20 dB/decade. = 1.222 với độ dốc -12 (dB/octave). * với các pin nhiệt điện, NEP được định nghĩa theo IEEE NEP = P 0 , với P 0 là công suất sóng tới mà điện áp tín hiệu V S = điện áp nhiễu V N . 35 36 Có thể viết: NEP = (V N /V S ).P i Tong đó P i là công suất sóng tới : P i = H.A *Trong các data sheet thường dùng NEP chuẩn hoá: NEP = (V N /V S )[H.A/(∆f) 1/2 ] *Trong data sheet D* = (V N /V S )[(∆f/A) 1/2 (1/H)] ___________________________________________ §4.3 PN JUNCTION DETECTORS 1) Giới thiệu: - Photo diode là các detector tạo ra dòng điện phụ thuộc vào bức xạ. - Có 4 dạng cơ bản: Planar PN junction, Schottky barrier photodiode, PIN photodiode, và Avalanche photodiode (APD) - Có 2 mode hoạt động: +Mode quang dẫn: Æ phân cực ngược + tải nối tiếp Æ ngắn mạch, nối với OP-AMP +Mode quang thế: Æ nối tải, không có thế phân cực 2) Các đặc trưng cơ bản + Được cấu tạo với một phía của cấu trúc bán dẫn được mở cho bức xạ đi qua 1 cửa sổ hoặc một lớp phủ bảo vệ. + Cấu trúc planar diffused photodiode: rất mỏng, diện tích bề mặc rộng, đế N dày hơn lớp bề mặt P (nhận bức xạ tới), được chế tạo theo phương pháp khuếch tán khí vào bán dẫn. + Schottky barrier photodiode: dùng lớp màng vàng mỏng phủ lên đế bán dẫn loại N. Biên phân cách giữa Au/N-Semiconductor hình thành 1 rào thế. Đáp ứng phổ phẳng hơn PN photodiode trong vùng IF, visible, và nhạy hơn trong vùng UV. 37 -Tuy nhiên schottky barrier photodiode nhạy với nhiệt độ hơn PN photodiode do đó không thường xuyên hoạt động đáng tin cậy ở mức bức xạ cao. + PIN photodiode: Lớp I (intrinsic) có tác dụng làm rộng miền nghèo Æ giảm điện dung miền nghèo Æ giảm thời gian đáp ứng của photodiode. + Kích thước linh kiện và vỏ phụ thuộc ứng dụng Æ cỡ 1 vài mm cho ứng dụng cáp quang, Æ một vài inch cho ứng dụng pin mặt trời Æcỡ 1 cm 2 cho các thiết bị đo. + Hoạt động ở chế độ phân cực ngược, nối trực tiếp với tải và nguồn phân cực. Các photon có năng lượng thích hợp, đến được vùng nghèo sẽ bị hấp thụ và làm phát sinh các cặp điện tử lỗ trống Æ tăng dòng ngược đáng kể + Điện trường nội của miền nghèo sẽ tách các e- và h + về 2 phía N và P + Có 4 trường hợp khả dĩ: (1) Nếu photodiode hở mạch: thế hở mạch phụ thuộc dạng hàm mũ vào mật độ dòng quang tới. (2) Nếu một điện trở khép kín mạch ngoài của photodiode: sẽ phát sinh dòng và sụt áp trên trở. (3) Nếu photodiode ngắn mạch: dòng ngắn mạch tỷ lệ với mật độ dòng quang tới. (4) Nếu photodiode được phân cực ngược: dòng ngược tỷ lệ vớ i mật độ dòng quang tới. + Các solar diode là photodiode hoạt động ở mode quang thế. + Các đầu thu trong kỹ thuật thông tin và thiết bị do hoạt động ở mode quang dẫn. + Dòng rò tối: dòng ngược phát sinh do các cặp e-, h + tạo ra bởi kích thích nhiệt, nhỏ hơn dòng phát sinh bởi photon rất nhiều. + Ở một bước sóng cố định hoặc nhiệt độ màu xác định, dòng quang phát sinh của photodiode tỷ lệ trực tiếp với mật độ dòng quang tới và diện tích tích cực của photodiode. + Hiệu suất lượng tử: tỷ số giữa số điện tử phát xạ trên số photon bị hấp thụ, ký hiệu η. Hiệu suất lượng tử của diode thực < 1 và thay đổi theo bước sóng, có thể được tính như sau: η = I p / i p với I p là dòng photodiode trung bình, i p là dòng của đầu thu lý tưởng có η = 1. Dòng công suất sóng đến P qua diện tích tích cực A: P= H 0 .A Năng lượng photon đến: E p = hc / λ Dòng photon phát sinh của diode lý tưởng: i p = (P/E p ).e, e = điện tích điện tử + Đáp ứng của photodiode lý tưởng: R = i p / P = e λ / hc = λ.(8.06 x 10 -4 A/W.nm) với λ là bước sóng tính theo nm. + Đáp ứng của photodiode thực: R = η (eλ / hc) * Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu suất lượng tử (1) Phản xạ: các bán dẫn dùng chế tạo photodiode có chiết suất khoảng 3,5Æ hệ số phản xạ 30% tại bề mặt bán dẫn. ≈ (2) Sự suy giảm hệ số hấp thụ ở bước sóng dài: hệ số hấp thụ ở bước sóng ngắn gấp 10 ≈ 4 lần so với các bước sóng gần giới hạn vùng cấm. Hệ số hấp thụ biểu thị khả năng 1 photon có thể bị hấp thụ khi đi qua một đơn vị khoảng cách trong vật liệu. (3) Sự hấp thụ sóng ngắn: do các photon ngắn bị hấp thụ sớm ở lớp trên của photodiode trước khi có thể tới được vùng nghèo, do đó không đóng góp vào dòng thu. Có thể khắc phụ nhờ việc giảm độ dày lớp trên (4) Giới hạn vùng cấm: các photon phải có đủ năng lượng để gây chuyển mức e- qua vùng cấm. * Diode thác lũ (APD_Avalanche Photodiode): được thiết kế để nâng cao hiệu suất lượng tử, cho phép tạo ra dòng có tốc độ lớn hơn tốc độ dòng photon tới. APD được phân cực ngược với điện áp lớn để gia tốc các e- phát sinh do photon đến vận 38 tốc lớn và va chạm với cấu trúc nguyên tử trong miền nghèo tạo ra các cặp e- lỗ trống mới, kết quả là dòng tổng có thể tăng hàng trăm lần so với diode PN đơn giản. Độ lợi dòng = Dòng APD / Dòng do photon khi η = 1 - Độ lợi dòng của các APD chế tạo từ silicon rất nhạy với sự thay đổi điện áp rơi trên diode và với nhiệt độ Æ các mạch ứng dụng rất phức tạp, đòi hỏi ổn định điện áp và bù nhiệt. - Độ lợi dòng của APD phản ánh số trung bình các e- được tạo ra trên 1 photon đến. Số e- được phát sinh bởi 1 photon bất kỳ thay đổi một cách ngẫu nhiên, tạo ra một tín hiệu nhiễu chồng lên giá trị trung bình. Nhiễu này khác với nhiễu nhiệt vì nó liên quan đến hiện tượng hấp thụ và nhân. Độ lợi có thể rất nh ỏ ở mức công suất thấp. 3) Đặc trưng đường tải * Hoạt động mode quang thế tự thiên áp - Sụt áp trên tải và dòng quan hệ theo định luật Ohm, trong khi quan hệ giữa sụt áp trên photodiode và dòng tuân theo đặc trưng diode. - Điểm làm việc ≡ giao điểm đường tải và đường cong (I-V) của diode * Các đường cong quang thế (photovoltaic curves): - Nằm ở góc 1/4 thứ tư của đặc tuyến I d (V d ). - Thế hở mạch qua photodiode trên trục V d : V 0 = K 1 ln(K 2 H 0 ) K 1 : hằng số phụ thuộc nhiệt độ K 2 : hằng số phụ thuộc bước sóng và cấu trúc của photodiode H 0 : mật độ dòng quang tới * Chế độ hoạt động ngắn mạch: -dòng thay đổi tuyến tính theo mật độ dòng quang tới - V o tỷ lệ với dòng qua trở feedback Æ tỷ lệ với mật độ dòng quang - có thế offset do dòng rò (rất nhỏ). * Chế độ phân cực ngược: (mode quang dẫn) - Điện dung diode giảm Æ giảm thời gian đáp ứng 39 [...].. .- Thế thiên áp VB tiêu biểu ≈ 10V - Quan hệ dòng áp: V0 = VB - VD hay IpRL = VB - VD - Để tránh phá huỷ diode khi Ip=0, thế phân cực ngược phải < thế đánh thủng - Khi Vd = 0 Ip = Ingắn mạch = Imax = VB gọi là dòng bão hoà ISAT RL *Đường tải Qua các điểm (VB, 0) và (0,VB/RL) trên họ đặc tuyến ngược Id(Vd) Ý nghĩa: khi mật độ dòng quang đến, ví dụ, = H2 dòng I2 qua điode - ể tăng khoảng... dòng I2 qua điode - ể tăng khoảng dòng thì cần tăng VB hoặc giảm RL - Tích của áp và dòng đi qua diode cần luôn nhỏ hơn khả năng tiêu tán công suất của diode Đường tải nằm trong đường công suất cực đại cho phép - Công suất tiêu tán cực đại cho phép xảy ra khi mật độ dòng quang tạo ra dòng điện = 1 1 dòng bão hoà, khi đó Vd= VB 2 2 4) Mô hình tín hiệu nhỏ cho photodiode: * Nguồn dòng Ip: dòng trung... (Ampere/Watt) P: công suất sóng tới tổng cộng * Điện dung Shunt C: điện dung chuyển tiếp phân cực ngược C = KA/[ρ(V0 – VD)]1/2 K: hệ số tỷ lệ ≈ 19000, khi đơn vị của các đại lượng khác như sau: A: diện tích tích cực (cm2), ρ: điện trở suất (Ω.cm), nhận giá trị từ 1 0-1 0000, V0: thế khuếch tán của miền nghèo ≈ 0.6V với Si, VD: thế phân cực ngược, nhận giá trị âm 40 * Trở Shunt: đuợc chú ý khi tính toán nhiễu,... bình Sự thay đổi này gọi là shot noise current IS = [2e∆f(Id + Ip)]1/2 với Id: dòng tối Ip: dòng quang trung bình + Nhiễu nhiệt: có thể chiếm ưu thế khi hoạt động ở mode ngắn mạch It = (4kT∆f/RSH)1/2 với RSH: điện trở shunt của photodidode Trở tải RL làm tăng nhiễu nhiệt: It = [4kT∆f(1/RSH + 1/RL)]1/2 41 ... thụ photon, quan trọng khi mức công suất sóng tới thấp Các photon đến có thể được hấp thụ hoặc không tại một thời điểm, dòng thu có thể > hoặc < dòng trung bình Quá trình này là ngẫu nhiên và tạo ra dòng nhiễu lượng tử = công suất tín hiệu tạo bởi dòng trung bình được cho bởi: Pm = (H0A)m ≈ (hc/λ)(∆f/η) với Pm: công suất sóng tới khi (S/N) =1, ∆f: độ rộng băng nhiễu + Shot noise (nhiễu bắn): xem dòng... nhiễu, còn gọi là trở kênh (channel resistance) nằm trong khoảng 100k Ω vài M Ω , giảm khi nhiệt độ hoặc diện tích linh kiện tăng, tăng khi thế phân cực tăng Được định nghĩa = độ dốc của đường cong I_V tại thế zero hay = tỷ số của thế phân cực ngược qua diode / dòng tối * Dòng nhiễu In tính cho tất cả các hiệu ứng nhiễu + Nhiễu lượng tử (quantum noise): gây bởi quá trình ấp thụ photon, quan trọng khi mức . kéo điện tử ra khỏi các lực liên kết của e- với nguyên tử và với bề mặt cathode (do các điện tích dương tạo ra bởi các điện tử r ời khỏi bề mặt). E kmax = hf - W W: công thoát điện tử h:. 31 CHƯƠNG IV PHOTODETECTORS § 4. 1 VACUUM PHOTODETECTORS - Dùng hiệu ứng quang điện tạo ra dòng và áp tỷ lệ với mật độ dòng công suất sóng tới. - Độ nhạy cao, đáp ứng nhanh . - Chủ yếu. ngược: (mode quang dẫn) - Điện dung diode giảm Æ giảm thời gian đáp ứng 39 - Thế thiên áp V B tiêu biểu ≈ 10V - Quan hệ dòng áp: V 0 = V B - V D hay I p R L = V B - V D - Để tránh